资源简介

光反应和碳反应
【学习目标】
1.掌握叶绿体中色素的提取和分离实验的过程和原理。
2.阐述叶绿体中色素的种类和功能。
3.概述光合作用的光反应和碳反应过程。
4.理解光反应和碳反应间的联系。
【学习过程】
一、叶绿体中色素的提取和分离
1.实验原理
(1)叶绿体中的色素能够溶于_________(如无水乙醇)中，可以用其提取叶绿体中的色素。
(2)不同色素在_________中的溶解度不同，溶解度大的色素随_________移动得____，反之则慢，最终不同色素在滤纸上彼此分离开来。
2.所需材料及作用
SiO2（有助于________）、CaCO3（防止________被破坏）、无水乙醇（________）
层析液（使色素随层析液在滤纸条上扩散开来，从而使色素分离）
3.方法步骤
(1)提取叶绿体中的色素
取材：称取5 g绿叶，剪碎，置于研钵中。
　↓
研磨：向研钵中放入_____、CaCO3各1/2药匙和5 mL________，充分研磨成匀浆。
　↓
过滤：在玻璃漏斗中放一块单层________，对绿叶匀浆进行过滤。
　↓
收集：滤液收集到试管中，用棉塞塞住管口。
　↓
观察：分别在顺光、逆光方向观察叶绿素溶液的颜色。
(2)分离叶绿体中的色素
制备滤纸条：将干燥的定性滤纸剪成恰好能置于层析管中的滤纸条。将滤纸条的一端剪去______，在这一端离边缘_____处用铅笔画一条细横线。
　↓
印滤液细线：将滤液在________上摊成一薄层，用________的边缘蘸取色素滤液，印在滤纸条上的横线处。待滤纸上的印痕干燥后，再印一两次。
　↓
分离色素：将适量层析液倒入________。将滤纸条剪角的一端朝下，轻轻插入层析液，注意不要让________触及层析液，随后用胶塞塞紧层析管管口。
　↓
观察：观察层析液在滤纸条上的扩散，在迁移速度最快的色素带到达滤纸上沿之前将滤纸条取出，观察色素带的条数、位置、颜色和宽度。
(3)光合色素吸收光谱的观察
①向比色皿中加入色素提取液。
②将装有色素提取液的比色皿置于________前端支架上。
③使光谱仪前端狭缝抵近光源，从光谱仪后部观察孔进行观察。
4.实验现象及相关说明
(1)现象：色素滤液在________下和叶片一样因绿光未被吸收而呈_______，然而色素滤液反射出的光线却不同于叶片的反射，呈现出________。
说明：只有在________的结构中，叶绿体中的色素才能够吸收光能，驱动________的发生。
(2)现象：滤纸条上形成了4条不同颜色、宽度不等的色素带，且色素带间的距离不一致。
说明：色素带的宽窄代表了色素含量的多少，色素扩散的速度和溶解度成正比。
(3)现象：将装有色素滤液的比色皿置于光源和棱镜之间，会发现450 nm左右的________、680 nm左右的________消失。
说明：叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)主要吸收________，类胡萝卜素(包括胡萝卜素和叶黄素)主要吸收________。
[问题探讨]
1.制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？印滤液细线有什么要求？
2.色素分离时，关键应注意层析液不要触及滤液细线，为什么？
3.某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，可能的原因有哪些？
二、光反应与碳反应
1.相关探究实验
(1)德国科学家恩格尔曼用________和________细菌确定了光合作用的发生场所是________。
(2)英国科学家希尔将离体叶绿体置于适当的条件下，仍能发生______的光解、产生_____的化学反应。
(3)科学家发现叶绿体中具有天然的电子受体NADP＋，在光照下NADP＋得到电子和H＋，生成________。
(4)美国科学家鲁宾和卡门用________的方法，研究了光合作用中________的来源。
(5)美国科学家雅根多夫发现，在黑暗条件下，将离体叶绿体由低pH溶液转移到高pH溶液中，伴随有________的生成。
(6)卡尔文利用________技术发现了碳循环过程。
(7)科学家发现光反应生成的________和[H]会在碳反应中被消耗。
2.光反应
(1)场所：叶绿体的________上。
(2)过程
①物质变化
a.水的光解：镶嵌在________上的光合色素分子捕获光能，将光能传递给位于________的色素分子，该色素分子被激发，释放出一个________。失去电子的色素分子从________中夺取电子，使水分解成________。
b.[H]的生成：类囊体膜上的特殊蛋白质捕获色素分子失去的________，利用电子携带的能量将________从叶绿体基质泵入________，把电子传递给了________，NADP＋获得电子后与H＋结合，生成________。
c.ATP的生成：类囊体膜上镶嵌有ATP合成酶，类囊体腔中的H＋顺浓度梯度经________返回叶绿体基质，推动了________的生成。
②能量变化：______能转变成了ATP和[H]中________。
3.碳反应
(1)场所：叶绿体________。
(2)过程
①物质变化
a.CO2的固定：CO2＋C5→2________
b.三碳化合物的还原：C3酸________
c.糖类的合成和C5的再生：
②能量变化：ATP和[H]中________的化学能转化成糖类中________的化学能。
4.光合作用的实质：植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。
[核心要点]
1.光反应和碳反应的区别与联系
项目 光反应 碳反应
进行部位 叶绿体类囊体膜上 叶绿体的基质中
条件和原料 光、色素、酶、水 多种酶、ATP、CO2、NADPH
物质变化 (1)H2O2H＋＋2e－＋1/2O2 (2)NADP＋＋2e－＋H＋→NADPH (3)ADP＋PiATP (1)CO2的固定：CO2＋C5→2C3酸 (2)三碳化合物的还原： C3酸C3糖 (3)
能量变化 光能转变为ATP、NADPH中活跃的化学能 ATP、NADPH中活跃的化学能转变成糖类中稳定的化学能
2.光照和CO2浓度变化短时间内对光合作用过程中物质含量变化的影响
条件 光照由强 到弱，CO2 供应不变 光照由弱 到强，CO2 供应不变 CO2供应由 充足到不足， 光照不变 CO2供应由 不足到充足， 光照不变
C3酸含量 增加 减少 减少 增加
C5含量 减少 增加 增加 减少
NADPH和ATP的含量 减少 增加 增加 减少
(CH2O)的合成量 减少 增加 减少 增加
【自主检测】
1.下列关于光合作用的叙述中，不正确的是(　　)
A.光反应阶段产生的ATP全部用于碳反应阶段
B.光反应需要光，不需要酶，碳反应不需要光，需要多种酶
C.光反应吸收光能形成ATP，碳反应将ATP中活跃的化学能储存在有机物中
D.光反应水分解生成用于合成NADPH的H＋并放出O2，碳反应最终利用CO2生成糖类
2.下图表示光合作用的过程，其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的两个阶段，a、b表示相关物质。下列相关叙述正确的是(　　)
A.阶段Ⅰ表示碳反应
B.阶段Ⅱ表示光反应
C.物质a表示NADPH
D.物质b表示C3酸
3．离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2的供应，短时间内叶绿体中三碳酸、五碳糖及ATP相对含量的变化是(　　)
A．上升、下降、上升　　　　　 B．上升、下降、下降
C．下降、上升、下降 D．下降、上升、上升
4.在“绿叶中色素的提取和分离”实验中得到的色素带颜色较浅，分析其原因可能是(　　)
①加入的提取液太多　②用无水乙醇代替丙酮　③研磨时没有加入碳酸钙　④研磨时没有加入二氧化硅　⑤取的叶片叶脉过多，叶肉细胞过少　⑥画滤液细线的次数少
⑦使用放置数天的菠菜叶
A.①③⑦ B.②④⑤
C.①③④⑤⑥⑦ D.②③④⑤⑥
5.下图为正常绿色植物的叶绿素a的吸收光谱、叶绿体色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率)，以下对该图的分析错误的是(　　)
A.图示表明叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光
B.总吸收光谱是代表叶绿体四种色素对光能的吸收
C.图示表明只有叶绿素a吸收的光能才能用于光合作用
D.总吸收光谱与光合作用的作用光谱基本一致，说明叶绿体色素吸收的光能都能参加光合作用
参考答案
【学习过程】
一、1.(1)有机溶剂
(2)层析液 层析液 快
2.研磨更充分 叶绿素 溶解色素
3.(1)SiO2 无水乙醇 尼龙布
(2)两角 1 cm 载玻片 盖玻片 层析管 滤液细线
(3)光谱仪
4.(1)透射光 绿色 暗红色 完整 光 光合作用
(2) 橙黄色 最少 最高 最快 黄绿色 最多 最低 最慢
(3)蓝紫光 红橙光 蓝紫光和红橙光 蓝紫光
[问题探讨]
1.防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快而导致的扩散后得到的色素带不整齐。印滤液细线的要求是细、齐、直，待滤液干后，还要重复再印一两次。
2.滤液细线中的色素会被层析液溶解，导致不能在滤纸上扩散。
3.未加二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液浓度低；未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏。
二、1. (1)水绵 好氧 叶绿体
(2)水 氧气
(3) NADPH
(4)同位素标记 氧气
(5)ATP
(6)同位素标记
(7) ATP
2.(1)类囊体膜
(2)①a.类囊体膜 反应中心 高能电子 水分子 H＋和O2
b.电子 H＋ 类囊体腔 NADP＋ [H]
c. ATP合成酶 ATP
②光 活跃的化学能
3.(1)基质。
(2)①a.C3酸 b. C3糖 ②活跃 稳定
【自主检测】
1.【答案】　B
【解析】　不管是光反应还是碳反应都需要酶的参与。
2.【答案】　C
【解析】　Ⅰ、Ⅱ分别表示光反应和碳反应，A、B项错误；光反应为碳反应提供ATP和NADPH，所以题图中的a表示的是NADPH，物质b表示的是ATP，C项正确、D项错误。
3．【答案】D
【解析】二氧化碳含量的改变直接影响的是碳反应中二氧化碳的固定过程，二氧化碳含量由高到低时，二氧化碳的固定过程变弱，该反应的反应物五碳糖消耗减少，剩余的五碳糖相对增多；生成物三碳酸减少，由于三碳酸减少，使得三碳酸的还原反应减弱，则消耗的NADPH和ATP量减少，所以NADPH和ATP剩余的量增多，所以突然中断CO2的供应，短时间内叶绿体中三碳酸的含量下降、五碳糖的含量上升、ATP的含量上升。
4. 【答案】　C
【解析】　在实验中，滤纸条上的色素带颜色较浅的原因可能是：滤液中色素含量少；在滤纸条上画滤液细线时，重复的次数太少；加入的提取液太多，使滤液中色素浓度降低。滤液中色素含量少的原因可能是：没有加入二氧化硅，导致研磨不充分；研磨时没有加入碳酸钙，使部分色素被破坏；选取的叶片中叶肉细胞少，色素含量低；叶片不新鲜，里面的色素被破坏。
5. 【答案】　C
【解析】　 图示中，叶绿素a的吸收值有两个波峰，主要集中于红光和蓝紫光区；总吸收光谱是指叶绿体色素总吸收值，叶绿体含四种光合色素；图示中，作用光谱的变化趋势与总吸收光谱非常相似，说明色素吸收的光均可用于光合作用。

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